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Sonia Quintero
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MEJORA GENÉTICA VEGETAL Proyecto Editorial MANUALES DE GENÉTICA Coordinador: César Benito MEJORA GENÉTICA VEGETAL Manuel Jamilena Quesada María José Díez Niclós Belén Picó Sirvent Fernando Martínez Moreno Consulte nuestra página web: www.sintesis.com En ella encontrará el catálogo completo y comentado © Manuel Jamilena Quesada María José Díez Niclós Belén Picó Sirvent Fernando Martínez Moreno © EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. Vallehermoso, 34 - 28015 Madrid Teléf.: 91 593 20 98 www.sintesis.com ISBN: 978-84-1357-324-3 Depósito Legal: M-1.876-2024 Impreso en España - Printed in Spain Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A. Índice PRÓLOGO .................................................................................................................................................................... 17 Parte I Bases de la mejora genética vegetal 1.. EVOLUCIÓN.DE.LA.MEJORA.GENÉTICA.DE.PLANTAS .................................................. 21 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 21 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 21 1.1.. La.mejora.genética.vegetal.y.sus.objetivos ........................................................................... 21 1.2.. La.domesticación.de.los.cultivos..La.primera.mejora.vegetal ...................................... 23 1.3.. Mejora.empírica.precientífica..Origen.de.las.variedades.locales ................................ 26 1.4.. Mejora.científica:.hitos.en.la.historia.de.la.mejora.de.plantas ...................................... 27 1.4.1.. El.cruzamiento.y.sus.usos.en.mejora.en.la.era.premendeliana ................. 27 1.4.2.. La.mejora.en.la.era.postmendeliana. El.uso.científico.del.cruzamiento..Aparición.de.otras.técnicas ................. 28 1.4.3.. La.ingeniería.genética,.variedades.transgénicas.y.genómica .................... 30 1.5.. Logros.de.la.mejora.genética.moderna .................................................................................... 31 1.5.1.. Rendimiento ........................................................................................................................ 31 1.5.2.. Calidad .................................................................................................................................. 32 1.5.3.. Resistencia.a.enfermedades ........................................................................................ 32 1.5.4.. Tolerancia.a.estreses.abióticos .................................................................................. 33 1.5.5.. Los.cultivos.huérfanos ................................................................................................... 33 1.6.. Los.programas.de.mejora.comerciales ..................................................................................... 34 1.7.. El.futuro.de.la.mejora.genética.vegetal ................................................................................... 37 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 38 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 38 Mejora genética vegetal6 2.. HERRAMIENTAS.GENÉTICAS.EN.LA.MEJORA.DE.PLANTAS ..................................... 41 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 41 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 41 2.1.. Análisis.genético.de.caracteres.cualitativos .......................................................................... 42 2.1.1.. Cruzamientos.monohíbridos ....................................................................................... 42 2.1.2.. Cruzamientos.dihíbridos .............................................................................................. 47 2.2.. Análisis.genético.de.caracteres.cuantitativos........................................................................ 52 2.2.1.. Caracteres.cualitativos.vs..cuantitativos .............................................................. 52 2.2.2.. Herencia.de.los.caracteres.cuantitativos .............................................................. 53 2.2.3.. Mecanismos.de.acción.génica ................................................................................... 55 2.2.4.. Componentes.de.la.varianza ....................................................................................... 57 2.2.5.. Heredabilidad .................................................................................................................... 58 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 62 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 63 3.. HERRAMIENTAS.BIOTECNOLÓGICAS.PARA.LA.MEJORA.(I) ..................................... 65 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 65 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 65 3.1.. Cultivo.in.vitro.y.sus.aplicaciones ............................................................................................. 65 3.1.1..¿Qué.es.el.cultivo.in vitro? ............................................................................................ 65 3.1.2.. ¿Para.qué.se.utiliza.el.cultivo.in vitro? ................................................................ 67 3.2.. Conservación.de.germoplasma.in.vitro ................................................................................... 68 3.2.1.. Tipos.de.germoplasma.que.se.conservan.............................................................. 68 3.2.2.. Procedimientos.de.conservación.de.germoplasma.in vitro ......................... 69 3.3.. Semillas.sintéticas .............................................................................................................................. 70 3.3.1.. Los.embriones.somáticos ............................................................................................. 70 3.3.2.. Producción.de.semillas.sintéticas ............................................................................ 70 3.4.. Variación.somaclonal ....................................................................................................................... 71 3.4.1.. ¿Qué.es.y.por.qué.ocurre.la.variación.somaclonal? ...................................... 71 3.4.2.. Aprovechamiento.de.la.variación.somaclonal ................................................... 72 3.5.. Mutagénesis.y.selección.in.vitro ................................................................................................. 72 3.5.1.. La.selección.in vitro........................................................................................................ 72 3.5.2.. La.combinación.de.mutagénesis.con.selección.in vitro ................................. 73 3.6..Cultivo.y.fusión.de.protoplastos ................................................................................................. 74 3.6.1.. ¿Qué.son.y.cómo.se.producen.los.protoplastos? .............................................. 74 3.6.2.. La.producción.de.híbridos.somáticos.mediante.fusión.de.protoplastos 74 3.7.. Cultivo in.vitro de embriones ....................................................................................................... 76 3.8.. Producción.de.líneas.doble.haploides ...................................................................................... 77 3.8.1.. El.cultivo.de.células.haploides:.androgénesis.y.ginogénesis ..................... 77 3.8.2.. El.interés.de.las.líneas.doble.haploides.en.mejora .......................................... 79 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 81 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 81 7Índice 4.. HERRAMIENTAS.BIOTECNOLÓGICAS.PARA.LA.MEJORA.(II) ................................... 85 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 85 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 85 4.1.. Los.marcadores.moleculares ........................................................................................................ 85 4.1.1.. ¿Qué.es.un.marcador.genético? ............................................................................... 85 4.1.2.. Los.marcadores.de.tipo.RFLP.basados.en.restricción.e.hibridación ..... 86 4.1.3.. Los.marcadores.de.tipo.RAPD.y.AFLP.basados.en.PCR ............................. 87 4.1.4.. Los.marcadores.de.tipo.SSR.basados.en.la.amplificación de.microsatélites ............................................................................................................... 90 4.1.5.. Los.marcadores.de.tipo.SNP.basados.en.la.identificación.de.la.varia- ción.en.uno.o.pocos.nucleótidos ............................................................................... 91 4.2.. Construcción.de.mapas.genéticos .............................................................................................. 92 4.2.1.. Concepto.de.ligamiento.y.recombinación ............................................................ 92 4.2.2.. La.posición.de.los.genes.en.el.genoma.en.base.a.su.ligamiento. Fracción.de.recombinación.y.distancia.de.mapa ............................................. 94 4.2.3.. Estima.de.la.fracción.de.recombinación ............................................................... 98 4.2.4.. Construcción.del.mapa.genético .............................................................................. 102 4.3.. La.genómica:.técnicas.de.secuenciación.y.genotipado.a.gran.escala ........................ 104 4.3.1.. Evolución.de.la.secuenciación.del.ADN. De.Sanger.a.las.metodologías.NGS ........................................................................ 104 4.3.2.. Las.colecciones.de.SNP,.las.plataformas.de.genotipado.masivo y.el.genotipado.por.secuenciación........................................................................... 107 4.4.. Estudios.masivos.de.expresión.génica:.ARNseq ................................................................ 110 4.5.. La.fenómica.en.la.mejora ............................................................................................................... 111 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 113 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 114 5.. EL.ESTUDIO.Y.APROVECHAMIENTO.DE.LA.VARIACIÓN ............................................. 121 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 121 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 121 5.1.. La.variación.natural:.áreas.de.origen.y.diversificación.de.los.cultivos .................... 122 5.1.1.. Centros.de.origen.de.las.plantas.cultivadas ....................................................... 122 5.1.2.. La.diversificación.de.los.cultivos ............................................................................. 123 5.2.. Conservación.de.los.recursos.fitogenéticos ........................................................................... 123 5.2.1.. Conservación.in.situ ....................................................................................................... 124 5.2.2.. Conservación.ex.situ ...................................................................................................... 125 5.3.. Los.bancos.de.germoplasma:.recolección,.multiplicación.y.caracterización ........ 126 5.3.1.. Recolección ......................................................................................................................... 126 5.3.2.. Regeneración ..................................................................................................................... 126 5.3.3.. Caracterización ................................................................................................................ 127 5.3.4.. Documentación ................................................................................................................. 128 Mejora genética vegetal8 5.4.. Análisis.de.la.estructura.y.la.diversidad.genética.de.las.colecciones.a.escala. genómica ................................................................................................................................................ 128 5.4.1.. Frecuencias.genotípicas.y.génicas.en.poblaciones.de.plantas .................. 129 5.4.2.. Cuantificación.de.la.diversidad.genética.de.un.grupo.de.individuos y.medida.de.la.diversidad.genética.entre.grupos.de.individuos ................ 130 5.5.. Las.mutaciones .................................................................................................................................... 137 5.5.1.. La.mutagénesis.artificial .............................................................................................. 138 5.5.2.. Identificación.de.mutaciones.naturales.o.inducidas en.genes.de.interés.mediante.TILLING.o.EcoTILLING ................................ 141 5.6.. Aprovechamiento.de.la.variación.interespecífica ............................................................... 142 5.6.1.. Principales.dificultades.en.la.obtención.de.híbridos.interespecíficos.. Barreras.de.cruzabilidad.y.su.superación ........................................................... 143 5.6.2.. El.aprovechamiento.de.la.variabilidad.mediante.la.poliploidía ............... 145 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 150 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 151 6.. SISTEMAS.DE.APAREAMIENTO.Y.SUS.CONSECUENCIAS.GENÉTICAS.. ESTRUCTURA.GENÉTICA.DE.LAS.POBLACIONES.DE.PLANTAS ............................ 153 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 153 Objetivos.para.el.aprendizaje ......................................................................................................................153 6.1.. Influencia.de.la.biología.reproductiva.en.los.programas.de.mejora .......................... 154 6.2.. Mecanismos.que.favorecen.la.autogamia ............................................................................... 155 6.3.. El.sistema.reproductivo.de.las.plantas.alógamas ................................................................ 156 6.4.. Estructura.genética.de.las.poblaciones.de.plantas.alógamas. Evolución.de.las.frecuencias.genotípicas ............................................................................... 162 6.4.1.. Alogamia.estricta:.ley.del.equilibrio.de.Hardy-Weinberg.(HW) ............... 162 6.4.2.. Consecuencias.de.la.ley.de.Hardy-Weinberg ...................................................... 166 6.5.. Estructura.genética.de.las.poblaciones.de.plantas.autógamas. Evolución.de.las.frecuencias.genotípicas ............................................................................... 167 6.6.. Estructura.genética.de.las.poblaciones.de.plantas.con.alogamia.parcial. Evolución.de.las.frecuencias.genotípicas ............................................................................... 171 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 172 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 173 Parte II Estrategias.de.mejora 7.. MÉTODOS.DE.MEJORA.DE.POBLACIONES.Y.LÍNEAS.PURAS ................................... 177 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 177 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 177 7.1.. La.estructura.genética.condiciona.el.tipo.de.cultivar.a.desarrollar ............................ 177 9Índice 7.2.. Métodos.de.mejora.de.poblaciones.de.plantas.autógamas basados.en.la.selección .................................................................................................................... 179 7.2.1.. Selección.en.poblaciones.heterogéneas.de.plantas.autógamas ................. 179 7.2.2.. Cruzamientos.intraespecíficos.en.autógamas.y.selección: tipos.de.cruzamientos ..................................................................................................... 181 7.3.. Métodos.de.mejora.en.poblaciones.de.plantas.alógamas basados.en.la.selección .................................................................................................................... 184 7.3.1.. Selección.masal ................................................................................................................. 184 7.3.2.. Selección.masal.con.prueba.de.descendencia .................................................... 185 7.3.3.. Métodos.de.selección.recurrente .............................................................................. 186 7.4.. Obtención.de.líneas.puras .............................................................................................................. 187 7.4.1.. Selección.genealógica ................................................................................................... 187 7.4.2.. Descendencia.de.semilla.única.(single.seed.descent,.SSD) ......................... 188 7.4.3.. Obtención.de.doble.haploides.(DH) ....................................................................... 190 7.5.. Mejora.de.líneas.puras.mediante.retrocruzamiento ........................................................... 190 7.5.1.. El.retrocruzamiento.(backcross,.BC).como.método.de.mejora .................. 191 7.5.2.. Introgresión.de.genes.dominantes.y.recesivos ................................................... 192 7.5.3.. Retrocruzamiento.asistido.por.marcadores.moleculares .............................. 195 7.5.4.. Líneas.de.introgresión.(introgression lines,.ILs) ............................................... 198 7.5.5.. Mejora.mediante.diseño................................................................................................ 199 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 201 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 202 8.. MÉTODOS.DE.MEJORA.PARA.EL.APROVECHAMIENTO.DE.LA.HETEROSIS .. 205 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 205 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 205 8.1.. Vigor.híbrido.o.heterosis ................................................................................................................ 206 8.1.1.. Bases.genéticas.de.la.heterosis ................................................................................. 208 8.2.. Aprovechamiento.de.la.heterosis.intraespecífica. Cultivares.híbridos.y.cultivares.sintéticos .............................................................................. 209 8.2.1.. Aptitud.combinatoria ..................................................................................................... 211 8.3.. Etapas.en.el.desarrollo.de.los.cultivares.híbridos ............................................................... 212 8.3.1.. Desarrollo.de.líneas.puras.parentales.o.líneas.élite ....................................... 213 8.3.2.. Selección.de.líneas.puras.parentales ...................................................................... 213 8.3.3.. Mejora.de.líneas.puras.parentales .......................................................................... 216 8.3.4.. Producción.de.semilla.híbrida..Sistemas.para.controlar la.polinización ................................................................................................................... 219 8.5.. Aprovechamiento.de.la.heterosis..Cultivares.sintéticos.en.plantas.alógamas ....... 227 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 228 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 229 Mejora genética vegetal10 9.. MEJORA.DE.PLANTAS.DE.MULTIPLICACIÓN.VEGETATIVA ....................................... 231 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 231 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 231 9.1.. Multiplicación.y.reproducción.vegetativa .............................................................................. 231 9.2.. Condicionantes.de.la.mejora.en.plantas.de.multiplicación.vegetativa ..................... 233 9.2.1.. Reproducción.sexual.e.incompatibilidad.sexual ............................................... 233 9.2.2.. El.periodo.juvenil ............................................................................................................. 234 9.2.3.. La.posibilidad.de.injerto .............................................................................................. 234 9.2.4.. Apomixia .............................................................................................................................. 235 9.3.. Métodos.de.mejora ............................................................................................................................ 235 9.3.1.. Selección.clonal................................................................................................................ 236 9.3.2.. Mejora.mediante.cruzamientos ................................................................................. 239 9.3.3.. Métodos.de.mejora.en.plantas.apomícticas ........................................................ 244 9.4.. Mejora.mediante.mutagénesis ...................................................................................................... 246 9.5.. La.ingeniería.genética.y.la.mejora.de.cultivos.leñosos .................................................... 248 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 250 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 250 10.. IDENTIFICACIÓN.DE.GENES.RESPONSABLES.DE.CARACTERES DE.INTERÉS ...................................................................................................................................................... 253 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 253 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 253 10.1.. Caracteres.cualitativos.y.cuantitativos. Disección.de.la.función.génica.mediante.genética.directa ............................................. 254 10.2.. Cartografía.de.genes.que.controlan.caracteres.cualitativos ........................................... 254 10.2.1.. La.identificación.de.marcadores.ligados.a.genes.responsables de.caracteres.de.interés.mediante.análisis.de.ligamiento en.poblaciones.segregantes ......................................................................................... 255 10.2.2.. La.identificación.de.marcadores.ligados.a.genes.responsables de.caracteres.de.interés.mediante.análisis.de.bloques segregantes.o.BSA ........................................................................................................... 256 10.2.3.. El.mapeado.de.alta.resolución.y.la.identificación.de.genes responsables.de.caracteres.de.interés .................................................................... 258 10.3.. Bases.de.la.cartografía.de.QTL ................................................................................................... 259 10.3.1.. Análisis.de.un.solo.marcador.(single.marker.analysis,.SMA) y.comparación.de.medias.de.las.clases.marcadoras ...................................... 260 10.3.2.. Mapeado.por.intervalos.simple.(single.interval.mapping,.SIM) ............... 266 10.3.3.. Mapeado.por.intervalos.compuesto.(composite.interval.mapping,. CIM).y.por.intervalos.múltiple.(multiple.interval.mapping) ....................... 271 10.4.. Uso.de.nuevas.poblaciones.para.la.identificación.de.QTL ............................................ 272 11Índice 10.4.1.. Ventajas.e.inconvenientes.del.uso.de.DHL.y.RIL para.la.cartografía.de.QTL ......................................................................................... 272 10.4.2.. Cartografía.de.QTL.con.colecciones.de.líneas.de.introgresión,.IL ......... 273 10.5.. Desequilibrio.de.ligamiento.y.cartografía.por.asociación .............................................. 275 10.6.. Cartografía.por.secuenciación ...................................................................................................... 282 10.7.. Validación.de.QTL.candidatos ..................................................................................................... 283 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 285 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 285 11.. PLANTAS.TRANSGÉNICAS.Y.PLANTAS.EDITADAS.GENÉTICAMENTE ............. 287 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 287 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 287 11.1. Plantas transgénicas .......................................................................................................................... 288 11.2.. Desarrollo.de.nuevos.caracteres.de.interés.mediante.transgénesis............................. 289 11.2.1.. Diseño.de.la.construcción.genética ........................................................................ 289 11.2.2.. Integración.de.la.construcción.genética.en.un.vector.adecuado .............. 294 11.2.3.. Transformación.y.regeneración ................................................................................ 296 11.2.4.. Integración.de.la.construcción.genética.y.expresión del.transgén.en.el.genoma.vegetal ........................................................................... 300 11.3.. Mejora.genética.de.plantas.mediante.transgénesis ............................................................. 301 11.3.1.. Desarrollo.de.cultivares.transgénicos ................................................................... 301 11.3.2.. Cultivos.y.caracteres.transgénicos.comerciales................................................ 303 11.4.. La.transgénesis.frente.a.la.edición.genética:.mejora.genética.por.edición ............. 310 11.4.1.. Sistemas.de.edición.genética ...................................................................................... 310 11.4.2.. Aplicaciones.de.los.sistemas.de.edición.genética en.el.desarrollo.de.nuevos.caracteres .................................................................... 312 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 314 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 314 Parte III Objetivos de mejora 12.. MEJORA.DE.LA.RESISTENCIA.A.ENFERMEDADES.Y.PLAGAS .................................. 319 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 319 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 319 12.1.. Introducción .......................................................................................................................................... 319 12.2.. Agentes.causantes.de.enfermedades.y.plagas.y.su.acción .............................................. 320 12.2.1.. Patógenos ............................................................................................................................ 320 12.2.2.. Parásitos .............................................................................................................................. 322 12.2.3.. Herbívoros ........................................................................................................................... 322 Mejora genética vegetal12 12.2.4.. Importancia.relativa.de.los.agentes.causantes.de.enfermedades ........ 323 12.3.. Interacción.planta-patógeno ....................................................................................................... 323 12.3.1.. Introducción ................................................................................................................... 323 12.3.2.. Mecanismos.de.defensa.de.la.planta ................................................................. 325 12.4.. La.resistencia .....................................................................................................................................327 12.5.. Modelos.genéticos.de.resistencia ............................................................................................. 327 12.5.1.. La.relación.gen.a.gen.de.Flor..La.resistencia.hipersensible .................. 328 12.5.2.. Base.molecular.de.los.genes.de.resistencia.y.de.los.efectores .............. 331 12.5.3.. Resistencia.a.hongos.fitopatógenos.necrotrofos .......................................... 332 12.5.4.. Resistencia.parcial ..................................................................................................... 334 12.6.. La.rotura.de.la.resistencia..Nuevas.razas.virulentas ....................................................... 336 12.7.. Fuentes.de.resistencia .................................................................................................................... 337 12.8.. Resistencia.durable ......................................................................................................................... 339 12.9.. Estrategias.para.prolongar.la.durabilidad.de.la.resistencia .......................................... 340 12.9.1.. Uso.adecuado.de.los.genes.de.resistencia.“no.durable” ........................ 340 12.10.. Resistencia.a.plagas ........................................................................................................................ 342 12.10.1.. Las.razas.fisiológicas.en.artrópodos.(biotipos) ........................................... 343 12.10.2.. Mecanismos.de.resistencia.y.evitación ............................................................. 343 12.10.3.. Ejemplos.de.resistencia.a.insectos ...................................................................... 344 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 345 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 346 13.. MEJORA.DE.LA.TOLERANCIA.A.LOS.ESTRESES.ABIÓTICOS ..................................... 349 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 349 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 349 13.1.. Estreses.abióticos.y.producción.agrícola ............................................................................. 350 13.2.. Respuesta.fisiológica.y.molecular.de.las.plantas.al.estrés.abiótico ......................... 351 13.2.1.. Percepción,.señalización.y.respuesta.al.estrés.ambiental ....................... 352 13.3.. Mejora.genética.de.la.tolerancia.a.los.estreses.abióticos .............................................. 354 13.3.1.. Mejora.de.la.tolerancia.a.la.sequía ................................................................... 356 13.3.2.. Mejora.de.la.tolerancia.a.la.salinidad ............................................................. 359 13.3.3.. Mejora.de.la.tolerancia.a.las.altas.temperaturas ....................................... 362 13.3.4.. Mejora.de.la.tolerancia.a.las.bajas.temperaturas ...................................... 364 13.3.5.. Mejora.de.la.tolerancia.a.la.deficiencia.de.nutrientes .............................. 366 13.4.. Selección.de.portainjertos.tolerantes.a.estreses.abióticos ............................................ 369 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 370 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 371 14.. MEJORA.DE.LA.CALIDAD ...................................................................................................................... 373 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 373 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 373 14.1.. Introducción .......................................................................................................................................... 373 13Índice 14.2.. El.concepto.de.“calidad”.y.sus.componentes ....................................................................... 375 14.2.1.. Calidad.sensorial ............................................................................................................. 375 14.2.2.. Calidad.nutricional ......................................................................................................... 376 14.2.3.. Calidad.sanitaria ............................................................................................................. 380 14.2.4.. La.estabilidad.de.la.calidad,.calidad.postcosecha y.tipo.de.maduración.del.fruto................................................................................... 380 14.3.. Las.fuentes.de.variación:.variabilidad.enmascarada.y.la.calidad de las variedades tradicionales ..................................................................................................... 381 14.4.. Control.genético.y.estrategias.de.mejora ................................................................................ 383 14.4.1.. Estrategias.de.mejora .................................................................................................... 384 14.4.2.. Mejora.de.la.forma.y.tamaño.del.fruto .................................................................. 384 14.4.3.. Mejora.del.contenido.en.azúcares.y.ácidos ......................................................... 386 14.4.4.. Mejora.del.color,.contenido.en.provitaminas y.pigmentos.con.actividad.antioxidante ................................................................ 387 14.4.5.. Mejora.del.aroma............................................................................................................. 389 14.4.6.. Modificación.de.los.contenidos.en.aminoácidos.esenciales ........................ 391 14.4.7.. Mejora.de.la.calidad.a.través.de.la.modificación.del.proceso de.maduración ................................................................................................................... 391 14.6.. Perspectivas.para.el.futuro ............................................................................................................. 393 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 393 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 394 Parte.IV Conservación.y.registro de.nuevas.variedades 15.. REGISTRO,.PROTECCIÓN.Y.CONSERVACIÓN.DE.VARIEDADES VEGETALES ...................................................................................................................................................... 399 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 399 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 399 15.1.. Registro,.protección.y.conservación.de.variedades.vegetales ...................................... 399 15.2.. Requisitos.para.la.comercialización.de.semillas.y.plantas.de.vivero ........................ 400 15.3.. El.registro.español.de.variedades.comerciales ..................................................................... 401 15.3.1.. Introducción ........................................................................................................................401 15.3.2.. Ensayos.de.identificación.y.de.valor.agronómico ............................................ 402 15.3.3.. Solicitud.de.una.variedad.en.el.registro.de.variedades.comerciales ...... 404 15.4.. La.protección.de.variedades.y.la.UPOV ................................................................................. 405 15.5.. Producción.de.semilla.comercial:.selección.conservadora ............................................ 406 15.6.. Productores.de.semillas.y.plantas.de.vivero .......................................................................... 407 15.6.1.. Introducción ........................................................................................................................ 407 15.6.2.. Producción.de.semillas.de.líneas.puras ................................................................ 408 Mejora genética vegetal14 15.6.3.. Producción.de.semillas.híbridas ............................................................................... 409 15.6.4.. Producción.de.semillas.de.cultivos.de.reproducción.vegetativa ............... 411 15.7.. Certificación.de.semillas ................................................................................................................. 413 15.7.1.. Introducción ........................................................................................................................ 413 15.7.2.. Categorías.de.semillas.y.plantas.de.vivero.......................................................... 413 15.8.. La.regulación.de.las.variedades.modificadas.genéticamente ........................................ 414 15.8.1.. Introducción ........................................................................................................................ 414 15.8.2.. Autorización.para.ensayos.de.campo ..................................................................... 414 15.8.3.. Registro.de.variedades.transgénicas ...................................................................... 415 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 416 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 416 Parte.V Mejora.genética.de.algunos.cultivos 16.. MEJORA.GENÉTICA.DEL.TRIGO ....................................................................................................... 421 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 421 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 421 16.1.. Origen.del.trigo.cultivado,.especies.y.genomas .................................................................. 421 16.1.1.. Especies.de.trigo.cultivadas........................................................................................ 423 16.2.. Historia.de.la.mejora.genética.del.trigo ................................................................................... 424 16.2.1.. La.Revolución.Verde ....................................................................................................... 426 16.3.. Mejora.del.rendimiento ................................................................................................................... 429 16.4.. Mejora.de.la.tolerancia.a.estreses.abióticos .......................................................................... 430 16.4.1.. Tolerancia.a.la.sequía .................................................................................................... 430 16.5.. Mejora.de.la.tolerancia.a.estreses.bióticos ............................................................................. 431 16.5.1.. Mejora.para.resistencia.a.enfermedades .............................................................. 431 16.5.2.. Principales.enfermedades.del.trigo.en.el.mundo.y.en.España ................... 434 16.6.. Mejora.de.la.calidad .......................................................................................................................... 435 16.7.. Métodos.de.mejora.empleados .................................................................................................... 438 16.7.1.. Cruzamientos ..................................................................................................................... 438 16.7.2.. Mutagénesis ........................................................................................................................ 439 16.7.3.. Selección.asistida.por.marcadores.y.selección.genómica ............................ 439 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 442 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 443 17.. MEJORA.GENÉTICA.DEL.TOMATE.Y.SU.SITUACIÓN.EN.ESPAÑA .......................... 445 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 445 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 445 17.1.. El.origen.del.tomate .......................................................................................................................... 445 15Índice 17.1.1.. Origen,.domesticación.y.difusión.del.tomate...................................................... 446 17.1.2.. Especies.silvestres.relacionadas.y.cruzabilidad. Recursos.fitogenéticos ................................................................................................... 446 17.2.. Historia.de.la.mejora.genética.del.tomate .............................................................................. 448 17.2.1.. Inicios.de.la.mejora.genética.del.tomate.en.el.mundo ................................... 448 17.2.2.. Mejora.genética.del.tomate.en.España ................................................................. 450 17.3.. Mejora.de.la.producción ................................................................................................................. 451 17.4.. Mejora.de.la.tolerancia.a.estreses.abióticos .......................................................................... 452 17.4.1.. Introducción ........................................................................................................................ 452 17.4.2.. Tolerancia.a.la.salinidad .............................................................................................. 452 17.5.. Mejora.de.la.tolerancia.a.estreses.bióticos ............................................................................. 455 17.5.1.. Introducción ........................................................................................................................ 455 17.5.2.. Mejora.para.resistencia.a.enfermedades.y.plagas ........................................... 456 17.6.. Mejora.de.la.calidad .......................................................................................................................... 458 17.6.1.. El.concepto.de.calidad.en.el.tomate.para.procesado.industrial ............... 458 17.6.2.. El.concepto.de.calidad.en.el.tomate.para.consumo.en.fresco .................... 459 17.7.. Aportaciones.de.la.biotecnología.y.de.la.genómica.a.la.mejora.del.tomate .......... 460 17.7.1.. Marcadores.moleculares,.mapas.genéticos.y.poblaciones de.premejora ....................................................................................................................... 461 17.7.2.. Secuenciación.de.genomas .......................................................................................... 462 17.8..Situación.actual.de.la.mejora.genética.del.tomate ............................................................. 463 Resumen.conceptual ........................................................................................................................................ 464 Actividades.propuestas ................................................................................................................................... 465 18.. MEJORA.GENÉTICA.DEL.OLIVO.Y.SU.SITUACIÓN.EN.ESPAÑA ............................... 467 Conceptos.a.estudiar ........................................................................................................................................ 467 Objetivos.para.el.aprendizaje ...................................................................................................................... 467 18.1.. Origen.y.evolución.del.olivo ........................................................................................................ 467 18.1.1.. Origen.del.cultivo ............................................................................................................ 468 18.1.2.. Evolución.del.cultivo ...................................................................................................... 469 18.1.3.. Evolución.del.cultivo.en.España ............................................................................... 469 18.2.. Recursos.fitogenéticos ..................................................................................................................... 471 18.2.1.. Problemas.de.la.conservación ................................................................................... 472 18.2.2.. Características.de.las.principales.variedades.tradicionales.españolas 472 18.3.. Métodos.de.mejora.en.olivo .......................................................................................................... 473 18.3.1.. Reproducción.vegetativa.y.sexual.en.olivo .......................................................... 473 18.3.2.. Mejora.por.cruzamiento ............................................................................................... 474 18.3.3.. Selección.asistida.por.marcadores.y.genómica ................................................. 474 18.4.. Objetivos.de.mejora.en.olivo ........................................................................................................ 476 18.4.1.. Mejora.de.la.productividad ......................................................................................... 476 18.4.2.. Acortamiento.del.periodo.juvenil ............................................................................. 477 18.4.3.. Mejora.de.la.tolerancia.a.estreses.abióticos ...................................................... 477 Mejora genética vegetal16 18.4.4. Mejora de la resistencia a estreses bióticos ........................................................ 478 18.5. Mejora de la calidad .......................................................................................................................... 480 Resumen conceptual ........................................................................................................................................ 483 Actividades propuestas ................................................................................................................................... 483 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................................................ 485 CONTENIDOS DIGITALES Recursos electrónicos Solucionario Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo 3 Capítulo 4 Capítulo 5 Capítulo 6 Capítulo 7 Capítulo 8 Capítulo 9 Capítulo 10 Capítulo 11 Capítulo 12 Capítulo 13 Capítulo 14 Capítulo 15 Capítulo 16 Capítulo 17 Capítulo 18 10 Identificación de genes responsables de caracteres de interés ConCeptos a estudiar ✓ Caracteres.cualitativos.y.cuantitativos..Disección.de.la.función.génica.mediante.genética. directa ✓ Cartografía.de.genes.que.controlan.caracteres.cualitativos. ✓ Bases.de.la.cartografía.de.QTL. ✓ Uso.de.nuevas.poblaciones.para.la.identificación.de.QTL.. ✓ Mapeado.por.asociación.. ✓ Cartografía.mediante.secuenciación.y.QTL.de.expresión,.eQTL.. ✓ Validación.de.genes.candidatos. Objetivos para el aprendizaje • Entender.las.diferencias.en.el.análisis.de.la.variación.y.la.cartografía.de.los.caracteres.cua- litativos.y.cuantitativos. • Conocer.las.ventajas.e.inconvenientes.de.las.distintas.metodologías.de.análisis.de.QTL. • Conocer.las.bases.de.la.cartografía.por.asociación,.la.cartografía.por.secuenciación.y.del. análisis.de.los.QTL.de.expresión. • Entender.las.estrategias.de.identificación.y.validación.de.genes.candidatos.tras.los.estudios. de.cartografía. Parte II. Estrategias de mejora254 10.1. Caracteres cualitativos y cuantitativos. Disección de la función géni- ca mediante genética directa Los.caracteres.de.interés.en.mejora.vegetal.se.pueden.clasificar.según.el. tipo.de.variación.que. presentan.y.el.modo.de.herencia..Los.caracteres.cualitativos.tienen.variación.discontinua,.es.decir,. cada.individuo.o.genotipo.se.puede.clasificar.en.una.clase.fenotífica.diferenciada,.y.están.contro- lados.por.uno.o.pocos.genes..En.cambio,.los.caracteres.cuantitativos.muestran.variación.continua,. pues.cada.individuo.manifiesta.el.carácter.con.un.nivel.de.intensidad.diferente,.superponiéndose. el.rango.de.expresión.fenotípica.de.distintos.genotipos.(tratado.en.el.capítulo.2)..En.ambos.casos,. es.posible.identificar.los.genes.responsables.de.estos.caracteres..En.este.capítulo.describimos.las. estrategias.de.“genética.directa”,.basadas.en.mapeado.de.los.genes,.que.se.utilizan.para.hacerlo.. En. la.“genética.directa”.partimos.del.estudio.de. la.variación.fenotípica.del.carácter.y.con.esta. información.se.identifica.la.variación.genotípica.responsable.de.la.misma..En.otros.capítulos,.se. describen.técnicas.de.“genética.inversa”,.como. tilling.y.ecotilling,. transgénesis,.silenciamiento. génico.o.CRISPR,.en.la.que.para.la.identificación.de.los.genes.responsables.de.un.carácter.parti- mos.de.mutaciones.en.los.genes.candidatos,.o.alteración.de.su.expresión,.y.estudiamos.el.efecto. de.las.mismas.sobre.el.fenotipo.del.carácter.. 10.2. Cartografía de genes que controlan caracteres cualitativos Como.se.ha.descrito.en.el.capítulo.4,.cuando.dos. loci. (genes.o.marcadores.moleculares).están. sobre.el.mismo.cromosoma,.en.una.posición.lo.suficientemente.cercana.para.que.segreguen.con- juntamente,.se.dice.que.están.ligados..Si.consideramos.dos.loci,.cada.uno.de.ellos.con.dos.alelos,. con.la.existencia.de.ligamiento.completo,.la.segregación.cromosómica.en.la.meiosis.de.un.indi- viduo.doble.heterocigótico.resulta.en.dos.tipos.de.gametos.equiprobables,.cada.uno.de.los.cuales. representa.una.combinación.alélica.ya. existente. en. los. individuos.parentales..Por. el. contrario,. cuando.están.situados.sobre.distintos.cromosomas,.o.muy.alejados.sobre.el.mismo,.se.transmiten. independientemente,.y.en.este.caso.en.la.segregación.meiótica.tendremos.cuatro.tipos.de.gametos. equiprobables,.que.representan.tanto.las.combinaciones.parentales.como.las.nuevas.combinacio- nes.recombinantes.(capítulo.2).. Sin.embargo,.en. la.mayoría.de. los.casos.el. ligamiento.no.es.completo,.y. los.gametos.con. las.combinaciones.alélicas. recombinantes,.que.se.generan.por. intercambio.de.segmentos.entre. cromosomas.homólogos.durante.la.meiosis.(entrecruzamiento),.aparecen.en.la.descendencia.en. menor.proporción.que. los.gametos.parentales..La. frecuencia.de. recombinantes. es,. en.general,. mayor.cuando.más.alejada.es.la.posición.de.los.dos.loci.en.el.cromosoma..Por.tanto,.el.porcen- taje.de.recombinación.(fracción.de.recombinación.r).entre.dos.loci.ligados.se.utiliza.como.una. estima.de.la.distancia.que.separa.a.los.dos.loci.en.el.cromosoma.y.para.la.construcción.de.mapas. genéticos.(capítulo.4).. Una.vez.disponemos.de.un.mapa.genético.de.alta.densidad.(con.marcadores.situados.a.escasa. distancia.y.cubriendo.todo.el.genoma),.este.resulta.de.gran.utilidad.para.la.cartografía.(localiza-ción.en.el.mapa.genético).del.gen.o.genes.responsables.de.características.de.interés..En.el.caso.de. caracteres.cualitativos.monogénicos.(u.oligogénicos).con.un.reducido.efecto.ambiental,.es.relati- vamente.sencillo.cartografiar.el.gen.reponsable.. 255Identificación de genes responsables de caracteres de interés 10.2.1. La identificación de marcadores ligados a genes responsables de caracteres de interés mediante análisis de ligamiento en poblaciones segregantes La.cartografía.del.gen.puede.realizarse.de.distintas.formas..Frecuentemente,.se.construye.una.po- blación.segregante.a.partir.del.cruzamiento.entre.dos.líneas.puras.de.fenotipo.contrastante.para.el. carácter..Las.poblaciones.más.rápidas.de.obtener.son.poblaciones.F2.o.de.retrocruzamiento.(BC).. Una.vez.obtenidas.se.fenotipa.para.el.carácter.un.número.determinado.de.individuos.de.la.misma.. Esto.es.lo.que.se.hizo.para.determinar.la.segregación.monogénica.del.locus yellowing,.que.contro- la.el.color.de.la.piel.del.fruto.del.tomate,.para.el.que.se.han.descrito.dos.alelos,.Y,.que.da.lugar.a. piel.amarilla,.e.y,.que.resulta.en.piel.transparente..Una.vez.fenotipados.todos.los.individuos.de.la. población,.se.genotipan,.empleando.los.marcadores.utilizados.para.la.construcción.del.mapa.ge- nético..Los.resultados.del.genotipado.y.el.fenotipado.se.emplean.en.un.análisis.de.ligamiento,.que. sirve.para.determinar.cuál.de.los.marcadores.del.mapa.se.encuentra.ligado.a.una.menor.distancia. genética.del.gen.responsable.del.carácter..Este.análisis.de.ligamiento.es.similar.al.realizado.para. identificar.ligamiento.entre.dos.marcadores.moleculares.y.está.basado.en.el.estudio.de.la.cosegre- gación.entre.el.marcador.y.el.carácter.(capítulo.4)..Como.los.marcadores.ya.están.posicionados.en. el.mapa,.la.identificación.de.marcadores.ligados.permitirá.situar.al.gen.responsable.del.carácter. en el genoma. Estos.marcadores.ligados.son.la.base.de.la.“selección.asistida.(o.facilitada).por.marcadores”. (MAS,.Marker.Assisted.Selection,.o.SAM,.selección.asistida.por.marcadores),.ya.que.el.conoci- miento.del.fenotipo.del.locus.marcador.en.un.individuo.(es.decir.el.genotipo.del.individuo.para.el. marcador.molecular).permite.deducir.qué.fenotipo.tendrá.este.individuo.para.el.carácter.controla- do.por.un.gen.ligado..Esta.selección.es.más.eficiente.cuanto.más.cercano.está.el.marcador.al.gen,. ya.que.tendremos.un.menor.número.de.recombinantes.(falsos.positivos,.individuos.seleccionados. con.respecto.al.marcador,.pero.que.no.presenten.el.fenotipo.esperado.del.carácter.de.interés)..En. general,.se.puede.asumir.que.cada.centimorgan.que.separe.al.marcador.del.gen.disminuye.en.un. 1.%.la.fiabilidad.de.la.predicción..Por.otro.lado,.si.no.se.dispone.de.marcadores.muy.cercanos.al. gen,.es.mejor.realizar.la.selección.por.dos.marcadores.flanqueantes.en.lugar.de.por.un.único.mar- cador,.ya.que.dos.marcadores.a.10.cM.proporcionan.una.fiabilidad.similar.a.un.marcador.a.1.cM. Si.se.trata.de.un.carácter.como.el.del.ejemplo,.cuya.expresión.fenotípica.no.está.muy.influen- ciada.por.el.ambiente. (independientemente.del.ambiente.en.el.que.se.cultiven,. los. tomates.YY serán.de.piel.amarilla.y.los.yy.de.piel.transparente),.bastará.con.un.fenotipado,.pero.si.está.influido. por.el.ambiente,.puede.ser.necesario.repetir.el.fenotipado.en.distintas.condiciones,.para.lo.que.se- rán.de.utilidad.poblaciones.segregantes,.como.las.doble.haploides.o.las.líneas.recombinantes.con- sanguíneas,.DHL.o.RIL.(descritas.en.los.capítulos.3.y.7),.ya.que.al.estar.constituidas.por.familias. de.individuos.homocigóticos,.se.pueden.asociar.fenotipados.realizados.en.distintos.ambientes.a.un. único.genotipado,.mientras.que.en.el.caso.de.poblaciones.F2.o.BC.(retrocruzamientos).se.debería. repetir.el.genotipado.en.cada.una.de.las.poblaciones.fenotipadas.. La.disponibilidad.de.otro.tipo.de.poblaciones.como.las.líneas.de.introgresion.IL.(capítulo.7),. facilita.mucho.la.cartografía.de.genes.responsables.de.caracteres.cualitativos..En.este.caso,.no. es.necesario.llevar.a.cabo.un.análisis.de.ligamiento,.sino.simplemente.identificar.aquellas.IL.que. manifiestan.un.determinado.fenotipo..Por.ejemplo,.el.empleo.de.una.población.de.IL.de.Solanum. chmielewskii.en.el.fondo.genético.del.tomate,.permitió.identificar.tres.IL.con.frutos.rosados,.con. ausencia.de.naringerina.(uno.de.los.principales.flavonoides.que.da.color.a.la.piel.del.tomate).en. Parte II. Estrategias de mejora256 la.piel..Las.tres.IL.llevaban.una.introgresion.del.genotipo.donante,.S..chmielewskii,.en.homoci- gosis.en.el.brazo.corto.del.cromosoma.1,.consistente.con.la.posicion.en.la.que.se.había.situado. anteriormente el locus yellowing..La.combinación.del.empleo.de.IL.con.análisis.de.expresión. génica,. llevó.a. la. identificación.de.un.gen.candidato. responsable.de.este. fenotipo..Se.estudió. la.expresión.de.genes.que.codifican.enzimas.de.la.ruta.biosintética.de.flavonoides,.muchos.de. los.cuales.presentaban.una.expresión.reducida,.lo.que.apuntaba.a.una.proteína.reguladora.de.la. transcripción.de.estos.genes.como.candidato.a.explicar.este.fenotipo..Precisamente.en.la.región. candidata.del.cromosoma.1.estaba.situado.el.factor.de.transcripción.SlMYB12..Una.duplicación. en.el.segundo.intrón.del.gen,.encontrada.en.variedades.de.tipo.amarillo,.sirvió.de.marcador.para. demostrar.la.cosegregación.del.gen.con.el.carácter:.las.plantas.con.tomate.de.fruto.rojo.fueron. heterocigóticas.u.homocigóticas.para.el.amplicón.(fragmento.amplificado.por.PCR).de.mayor. tamaño.del.gen.SlMYB12,.mientras.que.todas.las.de.tomates.rosas.fueron.homocigóticas.para.el. amplicón.de.menor.tamaño..En.la.actualidad,.se.reconoce.a.este.gen.como.el.candidato.del.locus Y,.y.se.sabe.que.el.fenotipo.de.tomate.rosa.está.asociado.a.una.reducción.de.la.transcripción.de. este.gen.en.la.piel.del.tomate. 10.2.2. La identificación de marcadores ligados a genes responsables de caracteres de interés mediante análisis de bloques segregantes o BSA Se.han.desarrollado.estrategias.que.permiten.acelerar.el.proceso.de.identificación.de.marcadores. moleculares.ligados.a.los.genes.que.controlan.un.carácter.cualitativo..El.análisis.de.bloques.se- gregantes.(en.inglés.BSA,.Bulk.Segregant.Analysis),.es.una.de.ellas..Esta.técnica.se.describió.por. primera.vez.en.1991.por.Michelmore.y.col..En.este.caso,.partían.de.una.población.F2.de.lechuga,. segregante.para.la.resistencia.al.mildiu,.a.partir.de.la.cual.se.generaron.dos.conjuntos.o.pools de ADN,.cada.uno.de.ellos.con.el.ADN.de.los.individuos.que.mostraban.un.determinado.fenotipo.del. carácter.(un.pool.de.resistentes.y.un.pool.de.susceptibles)..De.esta.forma,.todos.los.individuos.de. un.mismo.pool.tienen.la.región.genómica.que.contiene.el.alelo.del.gen.responsable.del.fenotipo. correspondiente,.así.como.las.regiones.ligadas.a.la.misma,.mientras.que.presentan.una.variación. aleatoria.para.el.resto.de.regiones.no.ligadas..En.este.primer.trabajo,.los.pools.se.genotiparon.con. marcadores.de.tipo.RFLP.y.RAPD,.los.disponibles.en.la.época,.seleccionándose.marcadores.po- limórficos.entre.pools,.que.consecuentemente.estaban.asociados.a.la.región.candidata..Se.puede. comprobar.esta.asociación,.empleando.un.análisis.de.ligamiento.en.la.población.completa,.lo.que. además.de.para.verificar.el.ligamiento.sirve.para.determinar.la.distancia.del.marcador.al.gen..De. esta.forma,.pueden.identificarse.marcadores.ligados.a.alelos.dominantes.o.recesivos..Para.evitar. falsos.positivos.(marcadores.polimórficos.entre.pools.no.ligados.a.la.región.candidata).es.esencial. utilizar.un.número.elevado.de.individuos.y.sobre.todo.fenotiparlos.bien..Esto.suele.ser.fácil.en. caracteres.cualitativos,.aunque.en.ocasiones.es.conveniente.realizar.pruebas.de.descendencia.a.los. individuos.que.se.incluyen.en.cada.pool.para.verificar.su.fenotipo,.lo.que.permite.también.separar. en los pools.los.individuos.homocigóticos.de.los.heterocigóticos.para.el.gen.que.controla.el.ca- rácter,.muy.útil.en.poblaciones.F2,.Fn.o.BC..Esto.último.no.es.necesario.si.se.emplean.poblaciones. homocigóticas,.como.DHL.o.RIL,.ya.que.se.pueden.evaluar.varias.plantas.por.genotipo.y.con-firmar.el.fenotipo..La.figura.10.1.muestra.un.ejemplo.de.una.aproximación.BSA.para.identificar. marcadores.ligados.a.un.gen.que.controla.un.determinado.fenotipo.. 257Identificación de genes responsables de caracteres de interés Figura 10.1. Esquema de realización del análisis de bloques segregantes (Bulk Segregant Analysis, BSA) para identificar polimorfismos ligados a un gen de interés. La.capacidad.del.BSA.para.identificar.un.locus.de.interés.ha.mejorado.mucho.utilizando. estrategias.de.genotipado.de.alto.rendimiento.o.genotipado.por.secuenciación.(explicado.en. el.apartado.10.6)..Inicialmente,.este.sistema.se.empleó.en.poblaciones.segregantes.derivadas. de. un. cruzamiento. biparental. entre. dos. líneas. contrastantes. (o. entre. una. planta. silvestre. y. otra.mutante.de.una.colección.de.mutantes)..En.la.actualidad,.también.se.emplea.para.otras. poblaciones.naturales.variables,.incluso.con.fondos.genéticos.distintos.(GWA,.Genome.Wide. Association),.lo.que.se.discutirá.en.el.apartado.de.mapeado.por.asociación..Así.mismo,.aunque. inicialmente.se.utilizó.para.la.cartografía.de.caracteres.cualitativos,.en.la.actualidad.el.pool de individuos.con.fenotipos.extremos.se.emplea.también.para.la.cartografía.de.QTL. Parte II. Estrategias de mejora258 10.2.3. El mapeado de alta resolución y la identificación de genes responsables de caracteres de interés El.BSA.puede.utilizarse.de.forma.sencilla.como.paso.previo.para. llegar.a.un.mapeado.de.alta. resolución,.es.decir.el.mapeado.que.se.acerca.tanto.al.gen.responsable.del.carácter.que.permite. identificarlo..En.la.primera.etapa,.partiríamos.del.desconocimiento.acerca.de.la.posición.del.gen. en.el.genoma,.la.selección.de.los.individuos.para.los.pools.se.realizaría.en.base.al.fenotipo.del. propio. individuo.y,.en.su.caso,.de. la.descendencia,.y.permitiría. identificar. la. región.candidata. (figura.10.2)..Posteriormente,.una.vez.disponibles.los.marcadores.flanqueantes.de.la.región.candi- data,.es.posible.seleccionar.de.la.población.segregante,.o.generar.de.novo,.por.ejemplo,.usando.IL,. individuos.recombinantes.en.la.región..Si.seleccionamos.individuos.heterocigóticos.para.los.mar- cadores.flanqueantes.y.obtenemos.una.descendencia.numerosa.por.autofecundación,.generaremos. individuos.recombinantes.en.la.región.candidata..El.genotipado.de.un.gran.número.de.individuos. de.esta.descendencia.por.autofecundación.con.los.marcadores.flanqueantes.permite.seleccionar.de. la.misma.individuos.recombinantes.en.la.región..Si.estos.individuos.se.genotipan.con.marcadores. adicionales.que.cubren.el.intervalo.se.puede.determinar.en.qué.punto.de.la.región.ha.ocurrido.la. recombinación.y.seleccionar.individuos.con.diferentes.puntos.de.recombinación..El.fenotipado. de.aquellos.que.resulten.de.interés.por.el.genotipo.de.la.región.candidata.(o.de.su.descendencia). nos.permite.estrechar.la.región.candidata,.de.forma.que.esta.llegue.a.ser. tan.pequeña.que.solo. incluya.unos.cuantos.genes.candidatos..Esta.estrategia.de.mapeado.se.denomina.mapeado.de.alta. resolución.o.fine.mapping..Una.vez.identificados.estos.genes.candidatos,.se.puede.determinar.cuál. de.ellos.es.el.responsable.del.genotipo,.buscando.mutantes.para.los.candidatos.que.se.asocien.al. fenotipo.en.colecciones.de.mutantes,.haciendo.transformación.genética.para.silenciar.o.sobreex- presar.el.gen,.mediante.edición.genética.con.CRISPR,.etc..(apartado.10.7). Una.estrategia.de.este.tipo.llevó.recientemente.a.la.identificación.del.gen.recesivo.cmv1,.respon- sable.de.la.resistencia.en.melón.al.virus.CMV.(Cucumber.Mosaic.Virus).(Giner.et.al.,.2017)..En.este. caso,.por.ejemplo,.se.seleccionó.una.línea.de.introgresión.resistente.de.una.población.de.IL.con.una. única.introgresión.en.el.cromosoma.12.de.la.región.candidata.procedente.del.parental.donante.(la. entrada.asiática.PI.1613765,.SC,.resistente.a.CMV).en.el.fondo.genético.recurrente.(el.cultivar.co- mercial.Piel.de.Sapo,.PS,.susceptible.al.virus).(figura.10.2)..Entre.los.cientos.de.genes.que.incluía.la. introgresión,.se.encontraba.el.responsable.de.la.resistencia.a.CMV,.pero.antes.de.iniciar.el.análisis.de. genes.candidatos.era.necesario.reducir.el.tamaño.de.la.región.genómica.de.5,78.Mb.que.contenía.el. gen..La.IL.seleccionada.se.cruzó.con.el.parental.recurrente,.y.la.F1.se.autofecundó.para.generar.una. población.F2..Esta.población,.de.aproximadamente.800.individuos,.se.genotipó.con.los.marcadores. flanqueantes.de.la.introgresión,.seleccionándose.los.individuos.recombinantes,.que.se.genotiparon. con.marcadores.internos.de.la.región.de.5,78.Mb,.identificándose.distintos.puntos.de.recombinación.. Además,.de.cada.planta.F2 recombinante.se.obtuvo.una.F3,.para.fenotipar.la.respuesta.frente.al.virus. de.su.descendencia..El.genotipado.y.el.fenotipado,.obtenido.de.la.inoculación.de.las.generaciones.F3 derivadas.de.estos.recombinantes,.permitieron.reducir.el.intervalo.de.cmv1.a.una.región.de.1,37.Mb.. El.genotipado.con.marcadores.internos.de.la.nueva.región.candidata.de.1,37.Mb,.SNPs.2,.3.y. 4.(mostrado.en.la.figura.10.2),.permitió.identificar.4.grupos.de.plantas.recombinantes.en.la.región,. que.fueron.informativas.y.cuyo.fenotipo.F3.permitió.estrechar.la.región.a.373.kb,.entre.el.SNP2.y. el.SNP3..Un.genotipado.adicional,.utilizando.nuevos.marcadores.internos.de.la.región.(SNP.6,.7,.8. y.9),.permitió.estrechar.más.aún.el.intervalo.a.una.región.de.132.kb.(entre.los.SNP.6.y.9)..Para.ge- 259Identificación de genes responsables de caracteres de interés nerar.nuevos.recombinantes.en.la.región,.se.produjeron.3.500.individuos.a.partir.del.heterocigoto. en.la.región.de.132.kb.y.aunque.se.encontraron.recombinantes.estos.no.fueron.informativos..En.el. intervalo.final.de.132.kb.se.encuentran.ocho.genes.anotados,.siendo.el.gen.que.codifica.la.proteína. vacuolar.VPS41.el.que.por.su.función.y.por.su.cosegreación.con.la.resistencia.se.identificó.como. el.candidato.responsable.del.fenotipo..Esta.proteína.está.involucrada.en.el.tráfico.de.vesículas.des- de.el.aparato.de.Golgi.a.las.vacuolas.y.podría.ser.utilizada.por.el.virus.para.su.transporte.al.floema,. permitiendo.el.transporte.del.virus.a.larga.distancia.en.los.genotipos.susceptibles.. Figura 10.2. Cartografía de alta resolución del gen cmv1 de melón. Gris oscuro, genotipo homocigótico SC (resistente); gris claro, genotipo homocigótico PS (suceptible); rayado, genotipo heterocigótico; blanco, intervalos de recombinación. 10.3. Bases de la cartografía de QTL Las.estrategias.descritas.anteriormente.se.suelen.emplear.para.la.cartografía.de.caracteres.cua- litativos.(características.morfológicas,. resistencias.a.enfermedades,.etc.)..Para. la.cartografía.de. caracteres.que.presentan.variación.continua.(rendimiento,.desarrollo,.floración,.respuesta.a.estrés. abiótico,.caracteres.de.calidad).se.emplean.metodologías.diferentes..Para.identificar.marcadores. ligados.a.los.genes.implicados.en.caracteres.cuantitativos.(QTL).es.necesario.construir.una.po- blación.de.mapeado.en.la.que.esté.segregando.el.carácter,.genotiparla.con.marcadores.distribui- dos.por.el.genoma,.construir.un.mapa.de.ligamiento.(que.puede.estar.disponible.previamente.o. Parte II. Estrategias de mejora260 construirse.con.los.datos.de.genotipado.de.la.propia.población.de.mapeado).y.fenotipar.la.misma.. El.proceso,.en.principio,.no.se.diferencia.del.utilizado.para.la.cartografía.de.los.caracteres.cua- litativos,.aunque.en.el.caso.de.caracteres.cuantitativos,.el.fenotipado.se.convierte.muchas.veces. en.el.cuello.de.botella.del.experimento..Además,.es.necesario.el.empleo.de.un.adecuado.diseño. experimental.y.métodos.estadísticos.apropiados.para.el.análisis.de.resultados..Es.muy.importante. realizar.una.buena.estima.del.efecto.ambiental,.lo.que.suele.implicar.el.trabajo.con.poblaciones. que.permitan.réplicas.(constituidas.por.individuos.homocigóticos,.como.RIL,.DHL,.IL,.etc.)..La. integración.de. los.datos.de.genotipado.y. fenotipado.permitirá. realizar.un.análisis.de.QTL.que. responda.a.las.siguientes.cuestiones.¿Cuántos.QTL.hay.para.un.determinado.carácter?,.¿dónde.están.localizados.en.el.mapa.genético?,.¿qué.efecto.tienen.sobre.el.carácter.de.interés? Hay.distintos.métodos.para.la.identificación.de.QTL.que.se.describen.en.los.siguientes.apartados. 10.3.1. Análisis de un solo marcador (single marker analysis, SMA) y comparación de medias de las clases marcadoras Como.se.estudia.en.el.capítulo.2,.el.valor.fenotípico.de.un.individuo.con.respecto.a.un.determi- nado.carácter.se.debe.fundamentalmente.a.la.influencia.del.genotipo.(valor.genotípico).y.del.am- biente.(F = G.+.A)..Por.otro.lado,.el.valor.genotípico.depende.de.lo.que.aporta.cada.alelo,.efecto. aditivo,.y.lo.que.aporta.la.interacción.entre.los.alelos.de.un.locus.y.de.distintos.loci,.efecto.domi- nante.y.efecto.epistático.respectivamente..Cuando.estudiamos.dos.líneas.puras.(P1.y.P2).idénticas. para.todos.sus.genes.excepto.para.un.único.QTL.que.afecta.a.un.determinado.carácter,.con.dos. alelos QTL1.y.QTL2.(a.partir.de.ahora.Q1.y.Q2).(P1 = Q1Q1.y.P2 = Q2Q2),.podemos.estimar.el.valor. aditivo.del.QTL.como.la.mitad.de.la.diferencia.entre.los.fenotipos.parentales,.a.=.(P1 –.P2)/2,.y.el. valor.dominante.como.la.diferencia.entre.el.fenotipo.de.la.F1.y.el.fenotipo.promedio.de.los.paren- tales,.d.=.F1 –.(P1 +.P2)/2.(capítulo.2)..El.valor.fenotípico.de.los.parentales.y.la.F1.sería.P1 = m.+.a,. P2 = m.–.a.y.F1 = m.+.d,.donde.m es la media de los valores de P1.y.P2,.y.a.y.d los valores aditivo y.dominante,.respectivamente.(figura.10.3).. Figura 10.3. Representación lineal de los valores para un carácter cuantitativo (QTL) del individuo homocigótico para el alelo Q1 (Q1Q1), el heterocigótico (Q1Q2) y el homocigótico para el Q2 (Q2Q2), indicando el valor aditivo (a) y el valor dominante (d) de los alelos de este QTL (Q1 y Q2). Suponemos.dos.líneas.parentales.(P1.y.P2),.homocigóticas.para.los.dos.alelos.del.QTL.y.que.son. además.homocigóticas.para.dos.variantes.alélicas.(A.y.C).de.un.determinado.SNP.totalmente.ligado. al.QTL,.siendo.sus.genotipos.P1 =AAQ1Q1.y.P2 =CCQ2Q2,.su.F1.sería.como.se.indica.en.la.figura.10.4. 261Identificación de genes responsables de caracteres de interés Figura 10.4. Genotipo de una planta F1 resultante del cruce entre P1 (AAQ1Q1) y P2 (CCQ2Q2), dos líneas ho- mocigóticas para dos alelos de un QTL (Q1 y Q2) y dos variantes alélicas de un SNP ligado al mismo (A y C). Si.obtenemos.una.población.F2.a.partir.de.esta.F1,.como.el.marcador.y.el.QTL.están.comple- tamente.ligados.cosegregarán,.por.lo.que.la.media.del.carácter.del.grupo.de.individuos.portadores. de.una.de.las.variantes.de.dicho.SNP.diferirá.significativamente.de.la.media.de.los.individuos.que. poseen. la.variante.alternativa..Para. identificar.un.marcador. ligado.a.este.QTL,. fenotiparíamos. el.carácter.en.una.población.segregante,.y.genotiparíamos.los.individuos.de.la.misma.población. con.marcadores.distribuidos.por.todo.el.genoma..Con.estos.datos.podemos.comparar.las.medias. fenotípicas.del.carácter.en.los.genotipos.de.los.marcadores.utilizados.. Por.ejemplo,.en.el.caso.de.la.F2 descrita.anteriormente.podríamos.clasificar.los.individuos.en. tres.clases.genotípicas.para.el.marcador.SNP,.individuos.AA,.AC o CC,.en.un.retrocruce.hacia.P1 tendríamos.individuos.AA.y.AC,.y.en.una.población.de.RIL.o.DHL.individuos.AA.y.CC..Si,.como. se.indica.en.el.ejemplo,.el.SNP.está.totalmente.ligado.al.QTL,.podemos.estimar.los.efectos.adi- tivos.y.dominantes.del.QTL.a.partir.del.fenotipo.de.los.individuos.agrupados.en.cada.una.de.las. tres.clases.genotípicas.del.marcador,.AA,.AC.y.CC..Cada.clase.genotípica.del.marcador.incluiría. individuos.con.un.único.genotipo.del.QTL,.la.clase.AA.individuos.Q1Q1,.la clase AC.individuos Q1Q2 y.la.clase CC individuos.Q2Q2,.cuyo.valor.medio.será:. AA.= Q1Q1 = m.+.a AC.= Q1Q2 = m.+.d CC = Q2Q2 = m.–.a Los.efectos.aditivos.y.dominante.se.pueden.estimar.como: a.=.(AA.–.CC)/2 =.[(m.+.a).–.(m.–a)]/2 d.=.AC.–.[(AA.+.CC)/2].=.(m.+.d).–.[(m.+.a)+(m.–.a)]/2 siendo AA. la.media. fenotípica. de. los. individuos. de. genotipo. homocigótico.AA,.CC,. la.media. fenotípica.de.los.individuos.de.genotipo.CC,.y.AC,.la.media.fenotípica.de.los.individuos.hetero- cigóticos.AC.en.la.generación.F2. Sin.embargo,.esto.solo.sería.así.si.el.ligamiento.entre.el.marcador.y.el.QTL.fuera.completo,. pero.en.la.mayoría.de.los.casos.no.lo.es,.existiendo.ligamiento.incompleto.entre.ambos.loci..Si.es. así,.entonces.las.medias.fenotípicas.de.las.clases.genotípicas.del.marcador.no.solo.dependen.de. los.efectos.aditivo.y.dominante.del.QTL,.sino.también.de.la.fracción.de.recombinación,.r,.entre.el. SNP.y.el.QTL..Así,.no.todos.los.individuos.seleccionados.en.base.al.marcador.como.AA,.CC,.o.AC serán.de.genotipo.Q1Q1,.Q2Q2,.o.Q1Q2..Por.lo.tanto,.la.estima.del.valor.a.y.d en base a los geno- Parte II. Estrategias de mejora262 tipos.del.SNP.estará.sesgada,.dependiendo.la.magnitud.del.sesgo.del.valor.de.r. Podemos estimar el sesgo de a.y.d.en.función.de.r,.calculando.la.probabilidad.condicional.de.que.el.genotipo.del. QTL.sea,.por.ejemplo,.Q1Q1,.si.hemos.observado.el.genotipo.AA.del.marcador..Esta.probabilidad. condicional.se.calcula.como.sigue: P Q1Q1 AA ⎛ ⎝ ⎜⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟⎟⎟= Probabilidad del genotipo AAQ1Q1/Probabilidad del genotipo AA (figura 10.5) Figura 10.5. Cálculo de la probabilidad condicional P Q1Q1 AA ⎛ ⎝ ⎜⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟⎟ , es decir de que habiendo genotipado un individuo de la F2 con el marcador SNP como homocigótico AA sea Q1Q1 para el genotipo del QTL, si el marcador SNP y el QTL están parcialmente ligados con una fracción de recombinación r. Las.probabilidades.condicionales.se.pueden.calcular.en.la.población.F2.para.cada.genotipo.del. QTL.en.cada.clase.genotípica.del.marcador,.como.se.muestra.en.el.cuadro.10.1. Multiplicando.la.probabilidad.condicional.de.cada.genotipo.del.QTL.por.su.valor.para. las. tres.clases.genotípicas.del.QTL.dentro.de.la.clase.genotípica.AA.del.SNP.obtendríamos.el.valor. esperado.para.el.genotipo.AA.de.la.clase.marcadora.en.función.de.a,.d.y r.como: AA.=.(1.– r)2.×.(m.+.a).+ r2 ×.(m.–.a).+.(2(1.– r)r).(m.+.d).=.m+.a.(1.–.2r).+.2r.(1.– r)d y.el.de.la.clase.genotípica.CC.del.SNP.como:. CC =.(1.– r)2.×.(m.–.a)+ r2.×.(m.+.a).+.(2(1.– r)r).(m.+.d).=.m.–.a.(1.–.2r).+.2r.(1.– r)d 263Identificación de genes responsables de caracteres de interés C U A D RO 1 0. 1 Pr ob ab ili da de s co nd ic io na le s pa ra lo s di sti nt os g en ot ip os d el Q TL e n la s di sti nt as cl as es g en ot íp ic as d el m ar ca do r S N P de l e je m pl o an te rio r Po bl ac ió n F 2 : P 1 (A Q 1/ A Q 1) × P 2 (C Q 2/ C Q 2) F 1 (A Q 1/ C Q 2) C la se s ga m ét i- ca s, te ni en do e n cu en ta ú ni ca - m en te e l S N P, pr od uc id as p or la F 1[ fre cu en ci a te ór ic a] G en ot i- po s F 2 pa ra e l SN P [fr e- cu en ci a te ór ic a] C la se s ga m ét ic as , te ni en do e n cu en ta el S N P y el Q TL , pr od uc id as p or la F 1 [fr ec ue nc ia te ór ic a] G en ot ip os p ar a F 2 p ar a el SN P y el Q TL [f re cu en ci a te ór ic a en fu nc ió n de r] Pr ob ab ili da d co nd ic io na l p ar a ca da c la se ge no típ ic a de l Q TL p re se nt e en la s di sti n- ta s cl as es g en ot íp ic as m ar ca do ra s Va lo r A [1 /2 ] C [1 /2 ] A A [1 /4 ] G am et os p ar en ta le s A Q 1[ (1 /2 ) ( 1 – r)] C Q 2[ (1 /2 ) ( 1 – r)] G am et os re co m bi na nt es A Q 2[ (1 /2 ) ( r)] C Q 1[ (1 /2 ) ( r)] A A Q 1Q 1[ (1 /4 ) ( 1 – r)2 ] P Q 1Q 1 A A ⎛ ⎝⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎟ ⎟= 1/ 4 ( ) 1− r ( )2 ( )/ 1/ 4 ( )= 1− r ( )2 m + a A A Q 1Q 2[ (1 /2 ) ( 1 – r)r ] P Q 1Q 2 A A ⎛ ⎝⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎟ ⎟= 1/ 2 ( ) 1− r ( )r ( )/ 1/ 4 ( )= 2 1− r ( )r m +d A A Q 2Q 2[ (1 /4 ) ( r)2 ] P Q 2Q 2 A A ⎛ ⎝⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎟ ⎟= 1/ 4 ( ) r ( )2 ( )/ 1/ 4 ( )= r2 m – a A C [1 /2 ] A C Q 1Q 1[ (1
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